Жодна машина не пройде крізь цегляну стіну, але щодня проходить через стіни з повітря, у якого теж є щільність.
Ніхто не сприймає повітря чи вітер як стіну. на низьких швидкостяхУ безвітряну погоду важко помітити, як потік повітря взаємодіє з транспортним засобом. Але на високій швидкості, при сильному вітрі, Опір повітря (сила, що впливає на об'єкт, що рухається по повітрю - також визначається як опір) сильно впливає на те, як машина прискорюється, наскільки керована, як витрачає паливо.
Тут у гру вступає наука аеродинаміка, що вивчає сили, що утворюються внаслідок руху об'єктів у повітрі. Сучасні автомобілі розробляються з урахуванням аеродинаміки. Автомобіль із гарною аеродинамікою проходить крізь стіну повітря як ніж по маслу.
За рахунок низького опоруповітряному потоку, такий автомобіль краще прискорюється і краще витрачає паливо, тому що двигуну не доводиться витрачати зайві сили на те, щоб "проштовхнути" машину крізь повітряну стіну.
Щоб покращити аеродинаміку автомобіля, форму кузова закруглюють, щоб повітряний канал обтікав авто з найменшим опором. У спорткарів форма кузова спроектована так, щоб спрямовувати потік повітря переважно по нижній частині, далі зрозумієте чому. Ще на багажник машини ставлять антикрило чи спойлер. Антикрило притискає задню частинуавтомобіля запобігаючи підйому задніх колісчерез сильного потоку повітря, коли він рухається на великої швидкостіщо робить машину стійкішою. Не всі антикрила однакові і не всі застосовують за призначенням, деякі є лише елементом автомобільного декору не виконує пряму функцію аеродинаміки.
Наука аеродинаміка
Перш ніж говорити про автомобільну аеродинаміку, пройдемося з основ фізики.
Під час руху об'єкта через атмосферу, він витісняє навколишнє повітря. Об'єкт також піддається силі тяжіння та опору. Опір генерується, коли твердий об'єкт рухається в рідкому середовищі - воді чи повітрі. Опір збільшується разом із швидкістю об'єкта - що швидше він переміщається у просторі, то більший опір відчуває.
Ми вимірюємо рух об'єкта факторами, описаними в законах Ньютона - маса, швидкість, вага, зовнішня сила та прискорення.
Опір прямо впливає прискорення. Прискорення (а) об'єкта = його вага (W) мінус опір (D), поділений на масу (m). Нагадаємо, що вага – це добуток маси тіла на прискорення вільного падіння. Наприклад, на Місяці вага людини зміниться через відсутність сили тяжіння, але маса залишиться незмінною. Простіше кажучи:
Коли об'єкт прискорюється, швидкість і опір зростають до кінцевої точки, в якій опір стає рівним вагою - об'єкт більше не прискориться. Уявімо, що наш об'єкт у рівнянні - автомобіль. Коли автомобіль рухається все швидше і швидше, все більше повітря опирається його руху, обмежуючи машину граничним прискоренням при певній швидкості.
Підходимо до найважливішого числа - коефіцієнта аеродинамічного опору. Це один із основних факторів, який визначає, як легко об'єкт рухається крізь повітря. Коефіцієнт лобового опору (Cd) розраховується за такою формулою:
Cd = D / (A * r * V / 2)
Де D – це опір, A – площа, r – щільність, V – швидкість.
Коефіцієнт аеродинамічного опору в автомобілі
Розібралися в тому, що коефіцієнт лобового опору (Cd) є величиною, яка вимірює силу опору повітря, застосовану до об'єкта, наприклад, до автомобіля. Тепер уявіть, що сила повітря тисне на автомобіль у міру його пересування дорогою. На швидкості 110 км/год на нього впливає сила в чотири рази більша, ніж на швидкості 55 км/год.
Аеродинамічні можливості автомобіля вимірюються коефіцієнтом аеродинамічного опору. Чим менший показник Cd, тим краще аеродинаміка автомобіля, і тим легше він пройде крізь стіну повітря, яка тисне на нього з різних боків.
Розглянемо показники Cd. Пам'ятаєте незграбні квадратні Volvo з 1970-х, 80-х років? У старого седана Volvo 960 Коефіцієнт лобового опору 0.36. У нових Volvoкузови плавні та гладкі, завдяки цьому коефіцієнт досягає 0.28. Більш плавні та обтічні форми показують кращу аеродинаміку, ніж незграбні та квадратні.
Причини, з яких аеродинаміка любить гладкі форми
Згадаймо найаеродинамічнішу річ у природі – сльозу. Сльоза кругла та гладка з усіх боків, а у верхній частині звужується. Коли сльоза капає вниз, повітря легко та плавно її обтікає. Також з автомобілями - гладкою, округлою поверхнею повітря тече вільно, скорочуючи опір повітря руху об'єкта.
Сьогодні більшість моделей середній коефіцієнт опору 0.30. У позашляховиків коефіцієнт лобового опору від 0,30 до 0,40 і більше. Причина високого коефіцієнта у габаритах. Ленд Крузери та Гелендвагени вміщують більше пасажирів, у них більше вантажного місцяВеликі радіаторні решітки, щоб охолодити двигун, звідси і квадратно-подібний дизайн. У пікапів, дизайн яких доцільно квадратний Cd більше, ніж 0.40.
Дизайн кузова спірний, але у машини показова аеродинамічна форма. Коефіцієнт лобового опору Toyota Prius 0.24, тому показник витрати палива у машини низький не лише через гібридну силової установки. Запам'ятайте, що мінус 0,01 в коефіцієнті скорочують витрату палива на 0,1 л на 100 км шляху.
Моделі з поганим показником аеродинамічного опору:
Моделі з добрим показником аеродинамічного опору:
Методи покращення аеродинаміки відомі давно, але потрібно багато часу, щоб автовиробники почали користуватися ними при створенні нових транспортних засобів.
У моделей перших автомобілів, що з'явилися, немає нічого спільного з поняттям аеродинаміки. Погляньте на Модель T компанії Ford- машина більше схожа на кінський віз без коня - переможець у конкурсі квадратного дизайну. Правду сказати, більшість моделей - першопрохідників і не потребували аеродинамічного дизайну, так як їздили повільно, з такою швидкістю не було чому чинити опір. Однак гоночні машини початку 1900-х років потроху звужувалися, щоб за рахунок аеродинаміки перемагати у змаганнях.
В 1921 німецький винахідник Едмунд Румплер створив Rumpler-Tropfenauto, що в перекладі з німецької означає «автомобіль - сльоза». Створений за образом аеродинамічної форми в природі, форми сльози, у цієї моделі коефіцієнт лобового опору був 0.27. Дизайн Rumpler-Tropfenauto так і не знайшов визнання. Румплер встиг створити лише 100 одиниць Rumpler-Tropfenauto.
В Америці стрибок в аеродинамічному дизайні здійснили у 1930 році, коли вийшла. модель Chrysler Airflow. Натхненні польотом птахів інженери зробили Airflow з урахуванням аеродинаміки. Для поліпшення керованості вага машини рівномірно розподілили між передньою та задньою осями- 50/50. Стомлене від Великої депресії суспільство так і не прийняло нетрадиційну зовнішність Chrysler Airflow. Модель вважали провальною, хоча обтічний дизайн Chrysler Airflow був далеко попереду свого часу.
У 1950-х та 60-х роках відбулися найбільші досягнення в галузі автомобільної аеродинаміки, які прийшли з гоночного світу. Інженери почали експериментувати з різними формами кузова, знаючи, що обтічна форма прискорить автомобілі. Так народилася форма гоночного боліда, що збереглася донині. Передні та задні спойлери, носи у формі лопати, аерокомплекти служили однієї мети, направити потік повітря через дах і створити необхідну притискну силу на передні та задні колеса.
Успіху експериментів сприяла аеродинамічна труба. У наступній частині нашої статті розповімо, навіщо вона потрібна і чому важлива в проектуванні дизайну автомобіля.
Вимір опору в аеродинамічній трубі
Для вимірювання аеродинамічної ефективності автомобіля інженери запозичили інструмент з авіаційної промисловості - аеродинамічну трубу.
Аеродинамічна труба – це тунель із потужними вентиляторами, які створюють повітряний потікнад об'єктом, що знаходиться усередині. Автомобіль, літак, або ще щось, чиє опір повітря вимірюють інженери. З приміщення за тунелем науковці спостерігають за тим, як повітря взаємодіє з об'єктом і як поводяться повітряні потоки на різних поверхнях.
Автомобіль або літак усередині аеродинамічної трубине рухається, але для імітації реальних умов вентилятори подають потік повітря з різною швидкістю. Іноді реальні автонавіть не заганяють у трубу - дизайнери часто покладаються на точні моделі, що створюються з глини або іншої сировини. Вітер обдуває автомобіль в аеродинамічній трубі, а комп'ютери розраховують коефіцієнт аеродинамічного опору.
Аеродинамічні труби використовують ще з кінця 1800-х років, коли намагалися створити літак та вимірювали у трубах вплив повітряного потоку. Навіть у братів Райт була така труба. Після Другої світової війни інженери гоночних автомобілів, у пошуках переваги над конкурентами, стали застосовувати аеродинамічні труби для оцінки ефективності. аеродинамічних елементівмоделей, що розробляються. Пізніше ця технологія проклала собі шлях у світ пасажирських авто та вантажівок.
За останні 10 років великі аеродинамічні труби вартістю в кілька мільйонів доларів США застосовують все рідше і рідше. Комп'ютерне моделювання потроху витісняє цей спосіб тестування аеродинаміки автомобіля (детальніше). Аеродинамічні труби запускають тільки, щоб переконатися, що комп'ютерне моделювання не має жодних прорахунків.
В аеродинаміці більше понять, ніж тільки опір повітря - є ще фактори підйомної і притискної сили. Підйомна сила (або ліфт) - це сила, що працює проти ваги об'єкта, що піднімає та утримує об'єкт у повітрі. Притискна сила - протилежність ліфта - це сила, яка притискає об'єкт до землі.
Той, хто вважає, що коефіцієнт аеродинамічного опору гоночних автомобілів Формули 1, що розвивають 320 км/год, низький, помиляється. У типового гоночного боліда Формули 1 коефіцієнт аеродинамічного опору близько 0.70.
Причина підвищеного коефіцієнта опору повітря гоночних болідівФормули 1 у тому, що ці машини спроектовані так, щоб створювати якнайбільше притискної сили. З тією швидкістю, з якою боліди пересуваються, з їхньою надзвичайно легкою вагою, вони починають відчувати ліфт на великих швидкостях- фізика змушує їх підніматися у повітря як літак. Автомобілі не створені, щоб літати (хоча стаття - автомобіль-трансформер, що літає, стверджує зворотне), і якщо транспортний засіб починає підніматися в повітря, то чекати можна тільки одного - руйнівної аварії. Тому, притискна силаповинна бути максимальною, щоб утримати автомобіль на землі при високих швидкостях, отже коефіцієнт аеродинамічного опору може бути великим.
Високу притискну силу боліди Формули 1 домагаються за допомогою на передній і задній частинах транспортного засобу. Ці крила направляють потоки повітря так, що притискають автомобіль до землі - та сама притискна сила. Тепер можна спокійно збільшувати швидкість та не втрачати її на поворотах. При цьому притискна сила повинна бути ретельно збалансована з ліфтом, щоб автомобіль набирав потрібну прямолінійну швидкість.
Багато серійних автомобілів мають аеродинамічні доповнення для створення притискної сили. преса розкритикувала за зовнішність Спірний дизайн. А все тому, що весь кузов GT-Rспроектований так, щоб направити потік повітря над автомобілем та назад через овальний задній спойлерстворюючи велику притискну силу. Про красу машини ніхто не подумав.
Поза трасою Формули 1, антикрила часто зустрічаються на серійних автомобілів, наприклад, на седанах компаній Toyotaта Honda. Іноді ці елементи дизайну додають трохи стійкості на високих швидкостях. Наприклад, на першому Audi TT спочатку не було спойлера, але компанії Audiдовелося його додати, коли з'ясувалося, що округлі форми TT і легка вага створювали занадто багато підйомної сили, що робило машину нестійкою на швидкості вище 150 км/год.
Але якщо машина не Audi TT, не спортивний болід, не спорткар, а звичайний сімейний седан або хетчбек, установка спойлера нема до чого. Керованості на такому автомобілі спойлер не покращить, тому що у "сімейника" отже висока притискна сила через високий Cx, а швидкості вище 180 на ньому не вичавиш. Спойлер на звичайному автоможе стати причиною надмірної повертаності чи навпаки, небажання входити у повороти. Однак якщо вам також здається, що гігантський спойлер Honda Civicстоїть на своєму місці, не дозволяйте нікому переконати вас у цьому.
Пропонуємо вам сьогодні дізнатися, що таке, навіщо вона потрібна і в якому році вперше з'явилася ця технологія.
Без аеродинаміки автомобілі та літаки, і навіть бобслеїсти, це просто об'єкти, що переміщають вітер. Якщо немає аеродинаміки, вітер переміщається неефективно. Наука про вивчення ефективності відведення потоків повітря і називається аеродинаміка. Для того щоб створити транспортний засіб, який ефективно відводив би потоки повітря, зменшуючи опір, необхідна аеродинамічна труба, в якій інженери перевіряють ефективність аеродинамічного опору повітря деталей автомобіля.
Помилково вважається, що аеродинаміка з'явилася з моменту винаходу аеродинамічної труби. Але це не так. Насправді з'явилася у 1800-х роках. Зародження цієї науки почалося у 1871 році, з братів Райт, які є проектувальниками та творцями першого у світі літака. Завдяки їм почала розвиватися аеронавтика. Ціль була одна - спроба побудувати літак.
Спочатку брати проводили свої випробування в залізничному тунелі. Але можливості тунелю вивчення потоків повітря були обмежені. Тому їм не вдалося створити реальний літальний апарат, тому що для цього було необхідно, щоб корпус літака відповідав найсуворішим вимогам аеродинаміки.
Тому в 1901 році брати збудували власну аеродинамічну трубу. У результаті за деякими даними у цій трубі було випробувано близько 200 літальних апаратівта окремі корпуси прототипів різної форми. На те, щоб побудувати перший в історії реальний літак, братам знадобилося ще кілька років. Так у 1903 році Брати Райт провели вдале випробування першого у світі, який протримався у повітрі протягом 12 секунд.
Що таке аеродинамічна труба?
Це простий пристрій, який складається із закритого тунелю (величезної ємності), через який подаються потоки повітря за допомогою потужних вентиляторів. У аеродинамічну трубу поміщають об'єкт, який і починають подавати . Також у сучасних аеродинамічних трубах фахівці мають можливість подавати спрямовані потоки повітря на певні елементи кузова автомобіля чи будь-якого транспортного засобу.
Тестування в аеродинамічних трубах набуло масової популярності під час Великої Вітчизняної війниу 40-ті роки. В усьому світі військові відомства вели дослідження аеродинаміки військової технікита боєприпасів. Після війни військові аеродинамічні дослідження згорнулися. Але увагу на аеродинаміку звернули інженери, які проектують спортивні гоночні автомобілі. Потім цю моду підхопили проектувальники та легкові автомобілі.
Винахід аеродинамічної труби дозволило фахівцям тестувати транспортні засоби, що перебувають у нерухомому стані. Далі подаються потоки повітря та створюється той же ефект що спостерігається під час руху машини. Навіть при випробуваннях літаків об'єкт залишається рухомим. Регулюється лише для того, щоб зімітувати певну швидкість транспортного засобу.
Завдяки аеродинаміки, як спортивні так і прості автомобілістали набувати замість квадратних форм більш плавні лінії та закруглені елементи кузова.
Іноді для дослідження може бути не потрібен весь автомобіль. Часто може використовуватися звичайний макет в натуральну величину. Через війну експерти визначають рівень опору вітру.
Після того, як рухається вітер усередині труби, визначається коефіцієнт лобового опору вітру.
Сучасні аеродинамічні труби, по суті, є гігантським феном для вашого автомобіля. Наприклад, одна з відомих аеродинамічних труб розташована в Північній Кароліні США, де проводиться дослідження асоціації. Завдяки цій трубі інженери моделюють автомобілі, здатні пересуватися зі швидкістю 290 км/год.
У цю споруду було вкладено близько 40 млн доларів. Труба розпочала свою роботу у 2008 році. Головні інвестори – це асоціація гонок NASCAR та власник гонок Джин Хаас.
Ось відео традиційного випробування у цій трубі:
З моменту появи першої в історії аеротруби інженери зрозуміли, наскільки цей винахід є важливим для всієї . У результаті неї звернули увагу автомобільні проектувальники, які почали розвивати технології дослідження потоків повітря. Але технології не стоять дома. У наші дні багато досліджень та розрахунків проходять у комп'ютері. Найдивовижніше, що навіть аеродинамічні тести проводять у спеціальних комп'ютерних програмах.
Як випробуваний використовується 3D віртуальна модельмашини. Далі на комп'ютері відтворюються різні умовидля тестування аеродинаміки Той самий підхід почав розвиватися й у проведення краш-тестів. , які не тільки можуть заощадити гроші, ані врахувати безліч параметрів під час випробування.
Також як реальні краш-тести будівництво аеродинамічної труби та випробування в ній дуже дороге задоволення. На комп'ютері собівартість може становити лише кілька доларів.
Щоправда бабусі, дідусі та прихильники старих технологій, як і раніше, будуть говорити, що реальний світ кращий, ніж комп'ютери. Але 21 століття є 21 століття. Тому неминуче, що в найближчому майбутньому багато реальних випробувань повністю проводитимуться на комп'ютері.
Хоча варто відзначити, що ми і не проти комп'ютерних, але сподіваємося, що реальні тести в аеротрубі та звичайні краш-тести, як і раніше, залишаться в автопромисловості.
Регламент, що діє, дозволяє командам тестування в аеродинамічній трубі моделей машин, що не перевищують 60% масштабу. В інтерв'ю F1Racing колишній технічний директор команди Renault Пет Сімондс розповів про особливості цієї роботи.
Пет Сімондс: «Сьогодні всі команди працюють із моделями 50% або 60% масштабу, але так було не завжди. Перші аеродинамічні тести у 80-х проводилися з макетами в 25% від реальної величини – більшого не дозволяли потужності аеродинамічних труб в Університеті Саутгемптона та Імперського Коледжу в Лондоні – тільки там була можливість встановити моделі на рухливу основу. Потім з'явилися аеродинамічні труби, в яких можна було працювати з моделями в 33% і 50%, а зараз через необхідність обмеження витрат команди умовилися тестувати моделі не більше 60% при швидкості повітряного потоку не більше 50 метрів в секунду.
При виборі масштабу моделі команди виходять із можливостей наявної аеродинамічної труби. Для отримання точних результатів габарити моделі не повинні перевищувати 5% частини робочої області труби. Виробництво моделей меншого масштабу коштує дешевше, але чим менше модель, тим складніше дотримати необхідну точність. Як і в інших питаннях розробки машин Формули 1, тут потрібно шукати оптимальний компроміс.
У колишні часи моделі виготовлялися з деревини дерева Дієра, що росте в Малайзії, що має малу щільність, зараз використовується обладнання для лазерної стереолітографії - промінь інфрачервоного лазера полімеризує композиційний матеріал, отримуючи на виході деталь із заданими характеристиками. Цей метод дозволяє вже за кілька годин перевірити ефективність нової інженерної ідеї в аеродинамічній трубі.
Чим точніше виконано модель, тим більше достовірна інформація, отримана під час її продування. Тут важлива кожна дрібниця, навіть через вихлопні трубипотік газів повинен проходити з тією самою швидкістю, як і реальній машині. Команди намагаються досягти максимально можливої для наявного обладнання точності при моделюванні.
Багато років замість шин використовувалися їх масштабні копії з нейлону або вуглепластику, серйозного прогресу вдалося досягти, коли компанія Michelin виготовила точні зменшені копії своїх гоночних шин. Модель машини оснащується безліччю датчиків для вимірювання тиску повітря та системою, що дозволяє змінювати баланс.
Моделі, включаючи встановлене на них вимірювальне обладнання, трохи поступаються вартістю реальним машинам– наприклад, вони коштують дорожче, ніж реальні машини GP2. Це дійсно ультраскладне рішення. Базовий каркас із датчиками коштує близько 800 тисяч доларів, він може використовуватись кілька років, але зазвичай команди мають два комплекти, щоб не зупиняти роботу.
Кожне доопрацювання кузовних елементівабо підвіски призводить до необхідності виготовлення нової версіїобважування, що обходиться ще в чверть мільйона. При цьому робота аеродинамічної труби обходиться приблизно в тисячу доларів на годину і вимагає присутності 90 співробітників. Серйозні команди витрачають на дослідження близько 18 мільйонів доларів за сезон.
Витрати окупаються. Збільшення притискної сили на 1% дозволяє відіграти одну десяту секунди на реальній трасі. В умовах стабільного регламенту інженери приблизно стільки і відіграють на місяць, тож тільки у відділі моделювання кожна десята коштує команді півтора мільйона доларів».
Відколи перша людина зміцнила на кінці списа заточений камінь, люди завжди намагаються знайти найкращу формупредметів, що рухаються у повітряному середовищі. Але автомобіль виявився дуже складною аеродинамічною головоломкою.
Основи тягових розрахунків руху автомобілів дорогами пропонують нам чотири основні сили, що діють на автомобіль під час руху: опір повітря, опір коченню, опір підйому та інерційні сили. При цьому зазначається, що основними є лише дві перші. Сила опору коченню автомобільного колесав основному залежить від деформації шини та дороги в зоні контакту. Але вже за швидкості руху 50-60 км/год сила опору повітря перевищує будь-яку іншу, але в швидкостях понад 70-100 км/год перевищує їх разом узяті. Щоб довести це твердження, необхідно навести таку наближену формулу: Px=Cx*F*v2, де: Px – сила опору повітря; v – швидкість автомобіля (м/сек); F – площа проекції автомобіля на площину, перпендикулярну до поздовжньої осі автомобіля, або площа найбільшого поперечного перерізу автомобіля, тобто лобова площа (м2); Cx – коефіцієнт опору повітря (коефіцієнт обтічності). Зверніть увагу. Швидкість у формулі стоїть у квадраті, і це означає, що при її збільшенні, наприклад, удвічі сила опору повітря збільшується вчетверо.
При цьому витрати потужності, необхідні для її подолання, виростають у вісім разів! У гонках Nascar, де швидкості зашкалюють за позначку 300 км/год, експериментальним шляхом встановлено, що для збільшення максимальної швидкостівсього на 8 км/год необхідно підвищити потужність двигуна на 62 кВт (83 л. с.) або зменшити Cx на 15%. Є й інший шлях – зменшити лобову площу автомобіля. Багато швидкісних суперкарів значно нижче звичайних автомобілів. Це і є ознакою робіт зі зниження лобової площі. Однак робити цю процедуру можна до певних меж, інакше таким автомобілем неможливо буде користуватися. З цієї та інших причин обтічність є одним з основних питань, що виникають під час проектування автомобіля. Звичайно, на силу опору впливають не лише швидкість автомобіля та його геометричні показники. Наприклад, що стоїть щільність повітряного потоку, то більше вписувалося опір. У свою чергу щільність повітря залежить від його температури і висоти над рівнем моря. При підвищенні температури щільність повітря (отже, і його в'язкість) збільшується, а високо в горах повітря більш розріджене, і його щільність нижче, і так далі. Таких нюансів безліч.
Але повернемося до форми автомобіля. Який предмет має найкращу обтічність? Відповідь це питання відомий практично будь-якому школяру (хто спав під час уроків фізики). Крапля води, що падає вниз, набуває форми, найбільш прийнятної з точки зору аеродинаміки. Тобто округла фронтальна поверхня і довга задня частина, що плавно звужується (краще співвідношення - довжина в 6 разів більше ширини). Коефіцієнт опору – величина експериментальна. Чисельно він дорівнює силіопору повітря в ньютонах, що створюється за його руху зі швидкістю 1 м/с на 1 м2 лобової площі. За одиницю відліку прийнято вважати Cx плоскої пластини = 1. Так от, у краплі води Cx = 0,04. А тепер уявіть собі автомобіль такої форми. Нонсенс, чи не так? Мало того, що така штуковина на колесах виглядатиме дещо карикатурно, використовувати цей автомобіль за призначенням буде не дуже зручно. Тому конструктори змушені шукати компроміс між аеродинамікою автомобіля та зручністю його використання. Постійні спроби знизити коефіцієнт повітряного опорупривели до того, що деякі сучасні автомобілі Cx = 0,28-0,25. Ну а швидкісні рекордні автомобіліможуть похвалитися Cx = 0,2-0,15.
Сили опору
Тепер необхідно трохи розповісти про властивості повітря. Як відомо, будь-який газ складається із молекул. Вони перебувають у постійному русі та взаємодії друг з одним. Виникають звані сили Ван-дер-Ваальса – сили взаємного тяжіння молекул, що перешкоджають їх переміщенню одне щодо одного. Деякі з них починають сильніше прилипати до решти. А зі збільшенням хаотичного руху молекул зростає ефективність впливу одного шару повітря на інший, зростає в'язкість. А відбувається це за рахунок підвищення температури повітря, причому це може бути викликане як прямим нагріванням від сонця, так і непрямим від тертя повітря про якусь поверхню або просто його шари між собою. Ось тут впливає швидкість переміщення. Для того щоб зрозуміти, як це відбивається на автомобілі, достатньо спробувати змахнути рукою з відкритою долонею. Якщо робити це повільно, нічого не відбувається, але якщо змахнути рукою сильніше, долоня вже явно сприймає певний опір. Але це лише одна складова.
Коли повітря рухається над деякою нерухомою поверхнею (наприклад, кузовом автомобіля), самі сили Ван-дер-Ваальса сприяють тому, що найближчий шар молекул починає прилипати вже до неї. І цей "прилиплий" шар гальмує вже наступний. І так шар за шаром і тим швидше рухаються молекули повітря, чим далі вони знаходяться від нерухомої поверхні. Зрештою їхня швидкість урівнюється зі швидкістю основного повітряного потоку. Шар, у якому частинки рухаються повільно, називається прикордонним, і з'являється він будь-якої поверхні. Чим більше значення поверхневої енергії у матеріалу покриття автомобіля, тим сильніше його поверхня взаємодіє на молекулярному рівні з навколишнім повітряним середовищем і тим більше енергії необхідно витратити на руйнування цих сил. Тепер, спираючись на вищеописані теоретичні викладки, можна сказати, що опір повітря – це не просто вітер, що б'є в лобове скло. Цей процес має більше складових.
Опір форми
Це найзначніша частина – до 60% усіх аеродинамічних втрат. Часто вона називається опором тиску чи лобовим опором. Під час руху автомобіль стискає потік повітря, що набігає на нього, і долає зусилля на те, щоб розсунути молекули повітря. В результаті виникає зона підвищеного тиску. Далі повітря обтікає поверхню автомобіля. У процесі чого відбувається зрив повітряних струменів із заснуванням завихрень. Остаточний зрив повітряного потоку у задній частині автомобіля створює зону зниженого тиску. Опір спереду та всмоктувальний ефект позаду автомобіля створюють дуже серйозну опір. Цей факт зобов'язує дизайнерів та конструкторів шукати шляхи з надання кузову. Розкласти по полицях.
Тепер необхідно розглянути форму автомобіля, що називається, "від бампера до бампера". Які з деталей та елементів мають більший вплив на загальну аеродинаміку машини. Передня частина кузова. Експериментами в аеродинамічній трубі було встановлено, що для кращої аеродинамікипередня частина кузова має бути низькою, широкою і не мати гострих кутів. У цьому випадку не відбувається відриву повітряного потоку, що дуже благотворно позначається на обтічності автомобіля. Решітка радіатора - елемент часто не тільки функціональний, а й декоративний. Адже радіатор і двигун повинні мати ефективне обдування, тому цей елемент має дуже велике значення. Деякі автоконцерни вивчають ергономіку та розподіл повітряних потоків у підкапотному просторітак само серйозно, як і загальну аеродинаміку автомобіля. Нахил вітрового скла– дуже яскравий приклад компромісу обтічності, ергономіки та експлуатаційних якостей. Недостатній його нахил створює зайвий опір, а надмірний - збільшує запиленість і масу самого скла, в сутінках різко падає оглядовість, потрібно збільшити розміри склоочисника і т. д. Перехід від скла до боковини має здійснюватися плавно.
Але не можна захоплюватися зайвою кривизною скла – це може збільшити спотворення та погіршити видимість. Вплив стійки вітрового скла на аеродинамічний опір дуже залежить від положення та форми вітрового скла, а також від форми передка. Але, працюючи над формою стійки, не можна забувати про захист переднього бічного скла від попадання дощової води та бруду, що здувається з вітрового скла, підтримці прийнятного рівня зовнішнього аеродинамічного шуму та ін. Дах. Збільшення опуклості даху може призвести до зменшення коефіцієнта аеродинамічного опору. Але значне збільшення опуклості може конфліктувати із загальним дизайном автомобіля. Крім того, якщо збільшення опуклості супроводжується одночасним збільшенням площі лобового опору, сила опору повітря зростає. А з іншого боку, якщо спробувати зберегти початкову висоту, то вітрове та заднє скло повинні будуть впроваджуватися в дахи, оскільки оглядовість погіршуватися не повинна. Це призведе до подорожчання скла, зменшення ж сили опору повітря в цьому випадку не таке значне.
Бічні поверхні. З погляду аеродинаміки автомобіля бічні поверхнімають невеликий вплив на створення безвихрового потоку. Але заокруглювати їх надто не можна. Інакше важко буде забиратися до такого автомобіля. Скло має по можливості складати єдине ціле з бічною поверхнею і розташовуватися на одній лінії із зовнішнім контуром автомобіля. Будь-які сходи та перемички створюють додаткові перешкоди для проходження повітря, з'являються небажані завихрення. Можна помітити, що ринви, які раніше були присутні практично на будь-якому автомобілі, вже не використовуються. З'явилися інші Конструктивні рішення, що не мають такого великого впливу на аеродинаміку автомобіля.
Задня частина автомобіля надає, мабуть, найбільший впливна коефіцієнт обтічності. Пояснюється це просто. У задній частині повітряний потік відривається та утворює завихрення. Задню частину автомобіля практично неможливо зробити такою ж обтічною, як дирижабль (довжина в 6 разів більша за ширину). Тому над її формою працюють ретельніше. Один із основних параметрів – кут нахилу задньої частини автомобіля. Вже хрестоматійним став приклад російського автомобіля"Москвич-2141", де саме невдале рішення задньої частини значно погіршило загальну аеродинаміку автомобіля. Але з іншого боку, заднє скло"Москвича" завжди залишалося чистим. Знову компроміс. Саме тому так багато додаткових навісних елементів робиться саме на задню частину автомобіля: антикрила, спойлери і т. д. Поряд з кутом нахилу задньої частини коефіцієнт аеродинамічного опору сильно впливає оформлення і форма бічної кромки задньої частини автомобіля. Наприклад, якщо подивитися практично на будь-який сучасний автомобільзверху, відразу видно, що кузов спереду ширший, ніж ззаду. Це також аеродинаміка. Днище автомобіля.
Як може здатися спочатку, ця частина кузова не може вплинути на аеродинаміку. Але тут виникає такий аспект, як притискна сила. Від неї залежить стійкість автомобіля і те, наскільки правильно організований потік повітря під дном автомобіля, залежить в результаті сила його "прилипання" до дороги. Тобто якщо повітря під автомобілем не затримується, а протікає швидко, то знижений тиск, що виникає там, буде притискати автомобіль до дорожнього полотна. Особливо це важливо для звичайних автомобілів. Справа в тому, що у гоночних машин, Які змагаються на якісних, рівних покриттях, можна встановити настільки малий кліренс, що почне проявлятися ефект "земної подушки", при якому притискна сила збільшується, а лобовий опірзменшується. Для нормальних автомобілівнизький дорожній просвітнеприйнятний. Тому конструктори останнім часом намагаються якнайбільше згладити днище автомобіля, закрити щитками такі нерівні елементи, як вихлопні труби, важелі підвіски і т.д. колісні нішідуже впливають на аеродинаміку автомобіля. Неправильно спроектовані ніші можуть створювати додаткову підйомну силу.
І знову вітер
Немає необхідності говорити про те, що від обтічності автомобіля залежить необхідна потужність двигуна, отже, і витрата палива (тобто гаманець). Однак аеродинаміка впливає не лише на швидкість та економічність. Не останнє місцезаймають завдання щодо забезпечення гарної курсової стійкості, керованість автомобіля та зниження шумів при його русі. З шумами все ясно: чим краще обтічність автомобіля, якість поверхонь, чим менша величина зазорів і кількість виступаючих елементів тощо, тим менше шуми. Конструкторам доводиться думати і про такий аспект, як момент, що розвертає. Цей ефект добре відомий більшості водіїв. Хто хоч раз проїжджав на великій швидкості повз "фуру" або просто їздив при сильному бічному вітрі, повинен був відчути появу крену або навіть невелике розгортання автомобіля. Немає сенсу пояснювати цей ефект, але це проблема аеродинаміки.
Ось чому коефіцієнт Cx не єдиний. Адже повітря може впливати на автомобіль не тільки "в лоб", а й під різними кутами та в різних напрямках. І все це впливає на керованість та безпеку. Це лише кілька основних аспектів, що впливають на загальну силуопору повітря. Прорахувати всі параметри неможливо. Існуючі формули не дають повної картини. Тому конструктори досліджують аеродинаміку автомобіля та коригують його форму за допомогою такого дорогого інструменту, як аеродинамічна труба. Західні фірми не шкодують грошей на їхнє будівництво. Вартість таких дослідних центрів може обчислюватись мільйонами доларів. Наприклад: концерн Daimler-Chrysler вклав $37,5 млн. у створення спеціалізованого комплексу щодо вдосконалення аеродинаміки своїх автомобілів. В даний час аеродинамічна труба - найбільш значущий інструмент дослідження сил опору повітря, що впливають на автомобіль.
